李海勝,張恒

（1.鄭州鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院軟件學(xué)院,河南鄭州 450052；2.中國地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)研究所,北京 100037）

GPS與GIS數(shù)據(jù)集成解決方案

李海勝1,張恒2

（1.鄭州鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院軟件學(xué)院,河南鄭州 450052；2.中國地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)研究所,北京 100037）

提出自建單機站、自建VRS、后處理差分3種GPS外業(yè)數(shù)據(jù)采集方案.通過外業(yè)數(shù)據(jù)采集與內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理將GPS數(shù)據(jù)集成到GIS系統(tǒng)之中,并以北京市電力系統(tǒng)為例提出了GPS與GIS數(shù)據(jù)集成方案.實際測試表明：方案實時性強、精度高、成本低,在電力等行業(yè)中應(yīng)用前景廣闊.

GPS；數(shù)據(jù)集成；差分定位；GIS電力系統(tǒng)

隨著3S技術(shù)的不斷發(fā)展,將遙感、全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)和地理信息系統(tǒng)緊密結(jié)合起來的一體化技術(shù)已顯示出更為廣闊的應(yīng)用前景[1].以RS、GPS、GIS為基礎(chǔ),將RS、GPS、GIS三種技術(shù)中的有關(guān)部分有機集成起來,構(gòu)成一個強大的技術(shù)體系,可實現(xiàn)對各種空間信息和環(huán)境信息快速、機動、準確、可靠的收集處理與更新.實際應(yīng)用中,較為多見的是兩兩之間的結(jié)合.

GPS可以獲得極為重要的實時、動態(tài)、精確的空間數(shù)據(jù),是GIS的重要數(shù)據(jù)源,拓展了GIS的應(yīng)用領(lǐng)域和應(yīng)用方式.GIS對于GPS來說,是一種重要的空間數(shù)據(jù)處理、集成和應(yīng)用工具.二者緊密聯(lián)系,共同開創(chuàng)和深化更多領(lǐng)域的空間應(yīng)用.GPS與GIS集成主要可用于：建立大地測量控制網(wǎng)和水準網(wǎng)；實時地采集地物的位置數(shù)據(jù)、屬性數(shù)據(jù)；為空間數(shù)據(jù)信息的獲取（如航空攝影與衛(wèi)星遙感）提供實時定位數(shù)據(jù)等[2-3].在這種集成中,GPS主要用于實時、快速地提供目標的空間位置,GIS則是對不同來源的時空數(shù)據(jù)進行綜合處理分析和應(yīng)用的平臺,而如何將GPS數(shù)據(jù)與GIS系統(tǒng)集成在一起,是研究的熱點和難點問題[4-5].本文以北京市GIS電力系統(tǒng)為例提出了將GPS數(shù)據(jù)集成到GIS系統(tǒng)之中的解決方案.

1 北京市GIS電力系統(tǒng)GPS、GIS集成方案

采用GIS技術(shù)可以顯著提高以空間數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的電力信息分析處理的能力,不同電力企業(yè)的GIS系統(tǒng)對數(shù)據(jù)提取、分析和處理有不同的需求,但是所有的電力GIS系統(tǒng)都包括以下一些基本功能：基本GIS功能（圖層操作、圖形瀏覽、長度面積量算等）,自動成圖功能（GPS數(shù)據(jù)文件接收、相位圖的編輯、注記層的編輯生成等）,設(shè)備管理功能（查詢統(tǒng)計、單線圖提取、線路模擬追蹤等）,巡線管理（GPS數(shù)據(jù)錄入接口、圖形數(shù)據(jù)輸入、危險點查詢等）.以上功能都是以電力設(shè)施的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的.因此,建立和完善電力GIS系統(tǒng),首先必須解決電力設(shè)施數(shù)據(jù)采集問題,包括設(shè)施的屬性數(shù)據(jù)和空間數(shù)據(jù).其中屬性數(shù)據(jù)涉及設(shè)備的名稱、型號、檢修記錄等；空間數(shù)據(jù)則包括以各種形式表達的電力設(shè)施的空間坐標,這些空間坐標一方面作為電力設(shè)施的重要基礎(chǔ)數(shù)據(jù),另一方面用來檢驗人員到崗情況,起到工作監(jiān)督的作用.

通過GPS可以很好地解決數(shù)據(jù)采集問題.GPS系統(tǒng)可以結(jié)合視頻圖像采集系統(tǒng),在采集位置數(shù)據(jù)和一般屬性數(shù)據(jù)的同時,采集相應(yīng)的圖像信息,形成豐富和直觀的GIS屬性數(shù)據(jù)庫.現(xiàn)場采集的數(shù)據(jù)可通過數(shù)據(jù)線纜、Wi-Fi或移動通信方式即時進入GIS系統(tǒng),為內(nèi)業(yè)處理節(jié)省時間.

對于精度要求在1m以內(nèi)的設(shè)施,必須采用差分定位的方式.按照工作程序的不同,分為實時差分和后處理差分[6].常見的實時差分系統(tǒng)有信標差分、單基站、VRS和衛(wèi)星差分等.后處理差分利用兩臺或多臺GPS接收機,在同一時段對同一組衛(wèi)星星座進行觀測,觀測結(jié)束后分別將基準站和流動站觀測數(shù)據(jù)導(dǎo)入后處理軟件,通過軟件解算方式進行數(shù)據(jù)改正,得到較高的定位精度.以下對自建單機站方案、自建VRS方案、后處理差分方案做簡單介紹.

1.1 自建單基站

流動站采用TrimbleGeoXT和可作為外置Modem的SonyEricsson k700c手機配合作業(yè).GeoXT負責(zé)GPS衛(wèi)星接收、解算、數(shù)據(jù)存貯,手機用于建立和保持與基準站的實時通信.該方案的實時差分定位精度為亞米級,能夠滿足大部分點位的精度要求.

基準站包括Trimble5700系列產(chǎn)品和Modem.如果要接入多個流動站,則需若干個Modem.基準站采用功能強大的GPSBase軟件.

1.2 自建VRS

自建VRS（VirtualReference Station,如圖1所示）與自建單基站在流動站硬件配置上完全相同,而基準站數(shù)量較多,北京市配置2臺基準站就可以覆蓋全區(qū).通過縮小覆蓋半徑,架設(shè)多個基準站,可以得到更高的精度.如果覆蓋半徑在50 km,則需要架設(shè)2個基準站,2個基準站分別架設(shè)在密云縣和石景山區(qū).所有基準站通過FR或DDN方式接入主控制中心.

圖1 自建VRS方案Fig.1 Self-builtVRSprogram

中心服務(wù)器安裝和運行GPSNet、GPSServer.其中GPSNet實現(xiàn)對基準站的監(jiān)視、控制、數(shù)據(jù)收集、解算和通過GSMModem的數(shù)據(jù)發(fā)布.GPSServer實現(xiàn)差分數(shù)據(jù)在Internet上的實時發(fā)布,使得流動站可以通過GPRS方式獲取實時差分數(shù)據(jù).

1.3 后處理差分

在數(shù)據(jù)采集或更新階段,用戶可以使用后處理方式（如圖2所示）實現(xiàn)亞米級或更高精度的定位.這種方式的工作原理是：流動站和基準站在同一時段對同一組衛(wèi)星星座進行觀測,分別記錄和存貯觀測數(shù)據(jù).在兩者相距不太遠的情況下,可以認為兩者的誤差來源基本相似,差分改正數(shù)也很接近,具備差分的基本條件.觀測完畢后,分別將基準站數(shù)據(jù)和流動站數(shù)據(jù)導(dǎo)入后處理軟件,進行差分解算,得到亞米級或更高精度的位置數(shù)據(jù).

后處理差分方式基準站的部署與自建單基站的策略相同.基準站和流動站之間各自獨立工作,無需實時通信.基準站架設(shè)和管理方便,流動站操作簡單靈活,適用于不需要實時高精度定位的場合.

圖2 后處理差分方案Fig.2 Post-processing differentiation program

1.4 方案選擇

衛(wèi)星差分實時精度高,工作效率高,但服務(wù)費用較高導(dǎo)致數(shù)據(jù)采集成本過高.信標作業(yè)免收服務(wù)費,但信標設(shè)備昂貴.公共VRS服務(wù)在北京市已經(jīng)開通可免費使用.后處理差分工作靈活精度高,因此建議基礎(chǔ)數(shù)據(jù)采集和維護采用后處理差分作業(yè)方式.如果對實時性要求較高,自建單基站是一種很好的選擇.

北京市電力設(shè)施的定位主要用來導(dǎo)入GIS系統(tǒng)進行系統(tǒng)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)建庫,因此采用后處理差分方案.而在事故搶修等緊急情況下,采用實時差分定位方式公共VRS或自建單機站.

2 作業(yè)流程

2.1 準備工作

2.1.1 軟件安裝在PC機上安裝數(shù)據(jù)同步軟件ActiveSync v4.5,業(yè)內(nèi)數(shù)據(jù)處理軟件PathfinderOffice3.10[7].通過數(shù)據(jù)同步軟件ActiveSync v4.5連接天寶GPS機GeoXT2005和PC機,然后在PC機上為GPS機GeoXT2005安裝外業(yè)數(shù)據(jù)采集軟件TerraSync V3.20.

2.1.2 設(shè)置外部差分源啟動TerraSync,TerraSync會自動連接到GPS接收機并追蹤可見衛(wèi)星計算獲取其當(dāng)前位置.Nokia 6670與GeoXT2005兩臺設(shè)備建立藍牙連接,GeoXT通過Nokia 6670的GPRS網(wǎng)絡(luò)連接Internet.打開TerraSync軟件,點擊“安裝”菜單（V3.00以上版本為“設(shè)置”菜單）,點擊“實時設(shè)置”,然后將“實時設(shè)置”窗口的“選擇1”設(shè)置為“外部源”.進入外部源設(shè)置窗口,根據(jù)作業(yè)地區(qū)的實際情況選擇單個基站或VRS.如果是VRS類型的外部源,還需選擇數(shù)據(jù)源服務(wù)類型.

2.1.3 編輯數(shù)據(jù)字典應(yīng)研究制定適合本行業(yè)或本單位應(yīng)用的屬性數(shù)據(jù)規(guī)范,通過PathFinder Office編輯相應(yīng)的數(shù)據(jù)字典.如果外業(yè)采集分階段或分區(qū)域完成,則需制定適合不同階段不同地區(qū)的數(shù)據(jù)字典,并上傳到相應(yīng)的GeoXT手持機上.

2.2 采集數(shù)據(jù)

假設(shè)需記錄的要素是路標（點要素）.在路標點周圍多次獲取GPS值（獲取過程中GPS接收機需保持穩(wěn)定不動）,取這些位置坐標的平均值計算路標的最終GPS坐標.

2.3 內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理

外業(yè)工作結(jié)束后,應(yīng)將手持機中存貯的數(shù)據(jù)通過PathfinderOffice的數(shù)據(jù)傳輸功能導(dǎo)入到計算機中,并對已采集數(shù)據(jù)進行檢查.使用“差分改正”功能對已采集數(shù)據(jù)進行差分處理,提高GPS數(shù)據(jù)精度.

將差分處理后的數(shù)據(jù)導(dǎo)出為ArcGIS格式或其它數(shù)據(jù)格式.還可通過Medea Mapper或其他插件上傳視頻數(shù)據(jù),并將地理數(shù)據(jù)與視頻內(nèi)容進行匹配.如需對數(shù)據(jù)進行定期或不定期更新,則需將GIS系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)導(dǎo)入到PathfinderOffice中,然后上傳到流動站設(shè)備上,用作導(dǎo)航或更新目標.

連接外部差分定位源進行實時差分可以有效提高定位精度,而外業(yè)數(shù)據(jù)采集與內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理將GPS數(shù)據(jù)與GIS集成在一起.

3 運行分析

將北京市電力設(shè)施點數(shù)據(jù)、線數(shù)據(jù)等集成到GIS系統(tǒng)之中,變壓器分布圖如圖3所示.系統(tǒng)具有實時查詢各種電力設(shè)施的位置、屬性、自動成圖、外業(yè)人員位置動態(tài)監(jiān)測等功能；日常工作中,系統(tǒng)主要執(zhí)行設(shè)備信息管理功能；設(shè)備搶修緊急情況下,可快速定位故障設(shè)備位置,獲取設(shè)備信息為維修人員提供必要的信息參考,節(jié)省搶修時間.經(jīng)實際運行,電力GIS系統(tǒng)大大提高了電力設(shè)施的管理水平,降低了設(shè)備維護成本,為緊急情況處理提供必要的信息支撐.

圖3 變壓器箱分布Fig.3 Transformerbox distribution chart

4 小結(jié)

本文概括了GPS當(dāng)前發(fā)展及應(yīng)用的現(xiàn)狀,依次提出自建單基站、自建VRS和后處理差分等方案,3種方案具有不同的特點.在實際應(yīng)用過程中根據(jù)對GPS定位精度的要求以及GPS基礎(chǔ)設(shè)施的差異,選擇不同的方案.GPS數(shù)據(jù)向GIS系統(tǒng)集成可以概括為3個步驟：差分定位方案的選擇、數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理.最后,將GPS數(shù)據(jù)集成到GIS系統(tǒng)之中.此種集成方法適合GIS數(shù)據(jù)的采集,無需特定的GPS接收機,數(shù)據(jù)采集成本低,滿足大多數(shù)應(yīng)用的需求.

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Solutions of GPS data integrating w ith GIS data

LiHaisheng1,Zhang Heng2
（1.SchoolofSoftware,Zhengzhou Railway Vocational&TechnicalCollege,Zhengzhou 450052,China；2.Institute ofGeology,Chinese Academy ofGeologicalSciences,Beijing 100037,China）

Proposed three GPS filed data collection program：self-built stand-alone station,self VRS and postprocessing differentiation.By field data collection and data processing within the industry,the GPS data is integrated into the GIS system.And Beijing power system is taken as an example.Actual tests show that the program is realtime,high-precision and low-cost,itwill has a broad application prospects to power industry.

GIS；data fusion；differential positioning；GIS power system

TP311

A

1008-7516（2013）01-0073-04

10.3969/j.issn.1008-7516.2013.01.018

2012-12-09

李海勝（1984-）,男,河南鄭州人,碩士,助教.主要從事遙感與地理信息系統(tǒng)研究.

盧奇）